地球上仪器观测的气候记录，最长不过二、三百年。有两类资料可以把气候记录延长到没有仪器观测的年代：一类是历史资料，如考古发掘文物、历史文献等；另一类是各种天然气候记录，包括树木年轮、地层中的生物化石、植物孢粉、各类沉积物的特征，以及各种自然地理因子变迁的痕迹等。这些天然气候记录有连续的，也有间断的，其适用的地理范围、研究的时期及在气候上的意义也都不相同。时期愈早，古气候记录愈少。

　　地质时期气候研究主要包括寻找古气候证据和确定证据年代（称为断代技术）两个步骤。前者采用地质学方法、地理学方法和同位素方法（物理学方法）等。地质学方法是根据生物生存条件、岩层和沉积矿床的形成与气候的关系，通过对地层中生物化石和沉积物等特性的研究，阐明地质时期气候在时间和空间上的分布和变化规律。例如：煤层的存在，可以推断为湿润气候；出现珊瑚礁,可推断为温暖气候;有石膏、岩盐，可推断为干燥气候。此外，通过地层中植物孢粉判别母体植物的种属，可推测过去的植被及其相应的气候。地理学方法主要是考察自然地理环境的变迁，如海平面的升降、河流和湖泊水位的变化、冰川和雪线的进退、沙漠和冻土以及森林等界限的推移，用以估计相应的气候演变。同位素方法是利用元素同位素含量和比值来推测过去气候的温度，其中以氧同位素方法应用最广。例如，利用氧同位素比值可以测定极地冰原不同冰层形成时的温度况。自然界的氧有氧－16、氧-17、氧-18三种同位素。在冰层形成时，气温越低，其中氧-16和氧-18的比值越高。因此，可以根据氧-16和氧-18比值的变化，了解第四纪海面温度的变化。氧同位素方法同样可用于测定钟乳石和树木年轮形成时的温度。利用碳-13和碳-14的比值，也可推测过去的温度，但应用不太广泛。

　　断代技术是确定各种证据形成的顺序和年代。可分为相对断代和绝对断代。相对断代只说明证据在形成时间上的新老顺序，主要依据古生物方法加以划分，如孢粉断代、地层学断代等。绝对断代是明确给出证据形成的绝对年代，主要是根据岩石中放射性同位素蜕变产物的含量加以测定的。

　　历史气候研究主要利用历史文献和考古发掘物中关于气候的证据，分析历史时期的气候状况。

　　我国有大量的历史时期天文学、气象学和地球物理学现象的可靠记载，许多古文献中有着台风、洪水、旱灾、冰冻等一系列自然灾害的记载， 以及太阳黑子、极光和彗星等不平常的现象的记录，而中国历史文献记载的时间可以准确到年，甚至到月、日。与其他的需要通过实验室技术测定年代的代用资料相比，它的年代认定清楚，这一优点可以有效地用于对其他代用气候记录的年代校订。

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